综述：推进生物医学分析：利用激光诱导石墨烯开发下一代低成本传感器技术

这篇综述系统阐述了激光诱导石墨烯(LIG)技术在生物传感器领域的突破性进展。文章详细解析了LIG的制备机制（包括辐射源参数、环境条件和前驱体选择）、通过原位生成杂化材料增强性能的策略，及其在低成本医疗诊断设备（如床旁检测POC和可穿戴设备）中的关键作用。重点探讨了LIG在电化学传感器中的独特优势——高导电性、多孔结构、抗菌特性和环境可持续性，并展示了其在蛋白质标志物、核酸、病原体和生理指标检测中的创新应用。

　　

激光诱导石墨烯：生物医学传感的新纪元

摘要
随着生物传感器在健康监测中重要性日益凸显，激光诱导石墨烯(LIG)因其环境友好、成本低廉和大规模生产潜力成为革命性材料。这种通过激光直写技术制备的三维多孔石墨烯，兼具优异的电学性能、机械柔性和生物相容性，为下一代医疗诊断设备开辟了新路径。

LIG形成机制的关键因素
LIG的质量受三大要素调控：

1. 辐射源特性
CO₂
红外激光（10.6 μm）通过光热效应将聚酰亚胺(PI)等前驱体转化为石墨烯。该过程经历两个阶段：碳化（sp³
键断裂）和石墨化（sp²
晶域重组），局部温度可达2500°C。而紫外激光（<400 nm）则通过光化学作用直接断裂化学键。

激光参数精细调控至关重要：功率（5-115 Ω/sq电阻范围）、扫描速度（影响能量分布）和离焦距离（控制光斑叠加）共同决定导电性和孔隙率。例如，提高功率可增加厚度但可能引发过度氧化，而多次扫描能提升石墨化程度。

2. 辐射环境
惰性气氛（N₂
/Ar）产出的LIG具有更高碳氧比（C:O≈8.1）和疏水性，而空气中合成的LIG含丰富含氧官能团（如C=O、-COOH），这些残基既能增强电化学活性，又可通过EDC-NHS化学固定生物分子。

3. 前驱体创新
从合成聚合物（如PI）到天然材料（木质素含量高的软木）的拓展，体现了可持续理念。木质素前驱体因芳香环结构可直接转化，而纤维素材料需硼酸盐等阻燃剂预处理防止热分解。

杂化材料的精准构筑
LIG与纳米颗粒的复合展现出协同效应：

• 金属纳米颗粒（MNPs）：通过前驱体薄膜激光还原，可制备均匀分布的AgNPs（15±3 nm）和PtNPs（4.8 nm）。例如壳聚糖-AuNPs复合物使尿酸检测限达0.33 μM。
• 金属氧化物：Co₃
  O₄
  纳米晶（9.8±3.3 nm）作为葡萄糖氧化酶模拟物，灵敏度达619 μA·mM^-1
  ·cm^-2
  。
• 单原子催化剂：CoSAN修饰的LIG对超氧自由基（O₂
  ^•-
  ）检测限为3.16 μM，抗干扰能力优异。

生物医学检测的突破应用

1. 疾病标志物检测

• 蛋白质：通过羧基化LIG固定抗体，实现了肝细胞癌标志物AFP（1.15 ng/mL）和神经退行性疾病蛋白polyGP的特异性检测。
• 核酸：π-π堆叠肽核酸(PNA)探针使microRNA-141检测限低至0.6 aM，无需扩增即可识别前列腺癌。
• 病原体：COVID-19多联检测平台可同时识别核衣壳蛋白、IgG/IgM和C反应蛋白，血清/唾液检测仅需6分钟。

2. 生理动态监测

• 神经递质："LIG草"结构电极可区分多巴胺(DA)、肾上腺素(EP)和去甲肾上腺素(NE)，灵敏度达93 μA·μM^-1
  ·cm^-2
  。
• 氧化应激：分子印迹聚合物/ZIF-67修饰传感器对3-硝基酪氨酸(3-NT)的检测范围覆盖0.04-100 μM。
• 离子检测：钾离子选择性膜(LIG/ISM)在人工唾液中响应斜率51 mV/dec，用于甲状腺功能监测。

可穿戴技术的革新
PDMS-PI复合基底制成的弹性传感器可监测脉搏波形（径向动脉）和手势动作。纸基LIG通过水转印技术附着于聚氨酯胶带，制成的汗液传感器对葡萄糖和乳酸的检测限分别为8 μM和220 μM。智能马桶集成LIG传感器阵列，通过尿液离子浓度变化（Na⁺
/K⁺
波动达68%）评估水合状态，准确率95%。

挑战与前景
当前LIG技术处于TRL 3-6级，需解决：
1）标准化生产（批间差异<5%）
2）纳米级精度加工（现有分辨率~50 μm）
3）生物污染控制（如两性离子修饰抗污）
4）多模态集成（结合AI分析汗液VOCs谱）

随着材料优化与临床验证的推进，LIG传感器有望在个性化医疗、远程监护和紧急诊断中发挥核心作用，特别是将电化学检测、能量收集和无线传输整合的"全集成"可穿戴系统，或将重新定义未来医疗模式。